CN103097645A - 用于井的安全机构、包括该安全机构的井及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种安全机构包括：阻挡构件，所述阻挡构件能够在允许流体流动的第一位置和限制流体流动的第二位置之间移动；移动机构；以及，无线接收器(通常是声收发器)，所述无线接收器适合于接收无线信号；其中，所述移动机构可操作成响应于由所述无线接收器接收到的所述信号的变化，将所述阻挡构件从所述第一位置和所述第二位置中的一个位置移动到所述第一位置和所述第二位置中的另一位置。因此，本发明的实施例提供了一种用于井的安全机构(例如，阀、封隔器、插塞或套筒)，该安全机构可以无线地操作并且因此能够使得井内的安全机构甚至在紧急情况已经发生时还能操作。

Description

用于井的安全机构、包括该安全机构的井及相关方法

技术领域

本发明涉及一种用于井的安全机构(例如，阀、套筒、封隔器或插塞)、一种包括该安全机构的井、以及用于改善井的安全性的方法，尤其但不排他性地涉及海底碳氢化合物井。

背景技术

近年来，油和气已经从超过1km量级的非常深的水区中的海底井(subseawell)内重新获得。这对于在这样深处中钻探、固定、提取和放弃井提出了许多技术问题。

在井的完整性上出现问题的情况下，众所周知使用井口装置(wellheadapparatus)控制系统来关闭井，以防止井出现危险的井喷或大量的碳氢化合物损失。防喷器(BOP)位于海底井的顶部处、在海床处，并且可以由控制室激活以关闭井，或者能够适合于自动检测井喷并且关闭。如果控制室出现了故障，遥控潜水车辆(ROV)将可以直接激活海床处的BOP以关闭井。

在已竣工的井中，在井的顶部处不是设置BOP而是设置“圣诞”树状物(tree)，并且在井内的“井底”处通常增加地下安全阀(SSV)。如果“圣诞”树状物与控制平台、钻探装备或船失去联系，则SSV通常被激活以封闭并且关闭井。

尽管有这些已知的安全控制，事故仍然发生并且最近的实例是在来自诸如墨西哥湾中的海底井的灾难性的井喷，产生巨大的爆炸，造成生命损失、钻探装备的损失以及大量和持续的油流入墨西哥湾，威胁野生动植物和海洋产业。

尽管该灾难的具体原因目前不清楚，但是一些方面可以被观察到：由钻探装备控制的紧急断开系统未能密封井并且使船与井分离；在海床处的死人(dead-man)/AMF系统未能密封井；随后的遥控车辆(ROV)干预也未能激活BOP上的安全机构。无疑地，在防喷器上主要聚焦的传统系统在爆炸的时候未激活并且在控制通信与钻探装备一起丢失之后也未能遏制油流入海中。

因此，需要改善油井的安全性，尤其是需要改善位于深水区域中的油井的安全性。

考虑到连通和控制井内工具(即，井中的工具)的困难性(尤其在通信被切断的情况下)，人们可能考虑为位于海床处的BOP提供其他的切断机构。但是，本发明的发明人已经注意到，此时增加更多的设备将是极其困难的，因为它将增加此时所放置的部件的大小和高度，这一在安装之前就将对于钻探装备是难以适应的。此外，虽然这将增加其他保护措施，但是它在很大程度上具有与现有安全系统相同的概念。甚至，增大控制系统的复杂性以支持这些额外的特征可能潜在地对整个系统的可靠性具有不利影响，而不是增大所提供的安全性水平。

在增加用于装置的其他传统控制机构(例如，阀或井内传感器)的情况下，本发明的发明人还注意到局限性，因为万一发生井喷，这些装置可能由于没有使压力波动以控制压力驱动的装置或者由于线路的失控而失去运行能力。

因此，对于普通技术人员而言，设计可以实际地增加到已经设置在油井中的安全系统上的其他安全系统是困难的。

发明内容

本发明的目的在于缓解现有技术中的问题，并且更好地改善井中的安全性。

根据本发明的第一方面，提供了一种安全机构，包括：

阻挡构件(obstructing member)，所述阻挡构件能够在允许流体流动的第一位置和限制流体流动的第二位置之间移动，通常地，所述阻挡构件能够从允许流体流动的第一位置移动到限制流体流动的第二位置；

移动机构；

以及，适合于接收无线信号的无线接收器(通常为适合于接收并且通常发送无线信号的收发器)；

其中，所述移动机构可操作成响应于由所述无线接收器接收到的所述信号的变化，将所述阻挡构件从所述第一位置和所述第二位置中的一个位置移动到所述第一位置和所述第二位置中的另一位置。

因此，阻挡构件可以在某些实施例中起始于第一位置或第二位置。

提供收发器时，收发器通常是具有接收器功能和发射器功能的单个设备；但是原则上，分离的接收器和分离的发射器可以被提供。尽管如此，当接收器和发射器一起设置在某一位置处时，被认为是如本文中所描述的收发器。

继电器和中继器可以用于使无限信号利于从一位置传输到另一位置。

本发明还提供了一种根据本发明的第一方面的至少一个安全机构的井。

通常地，井具有井口。

因此，本发明提供了显著的优点，因为它可以响应于无线信号而移动(通常关闭)阻挡构件(例如，阀、封隔器、套筒或插塞)。值得注意地，这不依赖在井和井口装置(例如，BOP)之间的控制线路(例如，液压管线或电缆)的提供。因此万一发生灾难性的井喷或爆炸，无线信号可以仅通过将通常在井的顶部处的井口装置与无线发射器(其将发送适当的信号)相连接被发送给阀。对于某些实施例，无线发射器可以安装在井口装置上。的确，因为无线信号不要求完好无损的控制线路以便关闭阀，所以即使井口装置已经遭受大量的损坏和/或液压管线、电缆或其他控制线路已经被损坏并且传统的安全系统已经失去了所有的功能，这也可以被实现。因此，这排除了当前对起作用的BOP/井口装置的依赖，以避免油、气或其他井流体流入海中。

在某些实施例中，发射器可以设置成井口装置的一部分。

正如在本文中所使用的井口装置包括但不局限于井口、管道和/或套管悬挂器、BOP、电缆/连续油管润滑器、导向基座、井树状物、树状物构架、井盖、防尘盖和/或井遮蓬。

通常地，井口在钻孔的顶部处提供了密封接口。通常地，在井口处或在井口以上多达20-30m的任一件设备或装置出于该目的可以被认为是井口装置。

所述的“信号的变化”可以是已接收到的不同信号，或者可以是在控制信号以前没有被接收到的地方接收到控制信号，并且还可以是在信号以前被接收到的地方失去信号。因此，在后一种情况下，安全机构可以适合于当无线通信失去(其可能由于紧急情况而发生)时操作，而不是必须要求主动发送控制信号来操作安全机构。

的确，本发明更一般地提供了一种收发器，所述收发器配置成在紧急情况已经发生之后激活并且发送信号，正如本文中所限定的。

在优选的实施例中，收发器是声收发器并且控制信号是声控制信号。在可替代的实施例中，收发器可以是电磁收发器，并且信号是电磁信号。组合能够被提供：例如，可以通过声信号传播一部分距离，通过电磁信号传播一部分距离，通过电缆传播一部分距离，和/或通过纤维光缆传播一部分距离；必要时，全部使用收发器。

声信号可以通过细长构件或者通过井流体或细长构件和井流体的组合进行发送。为了通过流体发送声信号，可以使用压力脉冲发生器或泥浆脉冲发生器。

优选地，阻挡构件从第一位置移动到第二位置。

优选地，安全机构包含电池。

安全机构通常部署在海底。

收发器包括发射器和接收器。发射器的提供使信号能够从安全机构发送到控制器(例如，控制信号的确认或激活的确认)。

安全机构可以设置在钻柱、完井管柱、套管柱或任何其他的细长构件上，或者设置在井中的已装套管的或未装套管的部分内部的子组件上。安全机构可以与BOP或井口、树状物、或者井盖用在相同的井内，并且除了传统的地下安全阀以外，可以设置安全机构。

通常地，设置多个安全机构。

收发器可以与移动机构间隔开并且通过传统装置(例如，液压管线或电缆)与传感器连接。这使无线信号能够在更小的距离上传输。例如，无线信号可以从井口装置传输到井的顶部下方多达100m、有时小于50m或小于20m处的收发器，该井的顶部通过液压布线或电力布线连接到阻挡构件。这使得根据本发明的安全机构即使当井口、井口装置或者井的顶部100m、50m或20m被损坏并且在井口和井口装置中的控制管线被损坏时也能够操作。因此，本发明的实施例可以与流体控制系统和/或电气控制系统相结合。

优选地，传感器被设置以检测井内的参数，优选地，检测安全机构附近的参数。

因此，这样的传感器可以提供与井中的所有部件内(尤其是安全机构周围)的环境有关的重要信息，并且来自这些传感器的数据可以提供信息给紧急情况的操作者，该紧急情况可能正在发生或将要发生并且可能需要干预以缓解该紧急情况。

优选地，尽管其他装置(例如，数据电缆)可以被使用，但是信息被无线地检索。因此，优选地，安全机构包括无线发射器，并且更优选地，安全机构包括无线收发器。

传感器可以检测任何参数并且因此是任何类型的传感器，包括但不一定局限于温度传感器，加速度传感器，振动传感器，转矩传感器，位移传感器，运动传感器，接合剂完整性传感器，压力传感器，方向和倾斜传感器，载荷传感器，各种管状/套管角度传感器，腐蚀和侵蚀传感器，辐射传感器，噪声传感器，磁力传感器，地震运动传感器，与管状/套管有关的、包括扭转、剪切、压缩、膨胀、屈曲和任一形式的变形的应力和应变传感器；化学或放射性示踪剂检测传感器；流体识别(例如，氢氧化物、蜡和出砂)传感器；以及流体属性(例如但不局限于，流量、密度、含水量、pH和黏度)传感器。这些传感器可以是成像装置、映射装置和/或扫描装置，例如但不局限于，照相机、录像机、红外线传感器、磁共振传感器、声传感器、电传感器、光传感器、阻抗传感器和电容传感器。而且，传感器可以适合于感应通过适当的发射器和机构的并入所检测到的信号或参数。传感器还可以检测井内的设备的状态(例如，阀位置或电动机转动)。

无线收发器可以并入到传感器、阀或安全机构的内部，或者可以与传感器、阀或安全机构独立并且与传感器、阀或安全机构相连接。传感器可以直接并入到包括发射器的设备中或者可以通过使用电缆或短程无线(例如，感应的)通信技术将数据传送给所述设备。短程是指通常相距小于5m，往往相距小于3m，并且甚至可以是相距小于1m。

传感器不仅可以在紧急情况下操作，而且可以在任何时候提供有关不同参数的细节。传感器可以是对接合剂测试、对封隔器、套筒、阀或障碍物的任一侧上的压力的测试以及井口装置测试有用的，并且通常是对来自井内的任何位置的井信息和监视有用的。

无线信号可以被追溯地发送，即，在紧急情况已经发生之后(例如，井喷之后)被发送。

通常地，传感器可以存储数据供以后检索，并且能够发送这些数据。

安全机构可以适合于响应于由传感器检测到的参数，自动地将所述阻挡构件从所述第二位置移动到所述第一位置/从所述第一位置移动到所述第二位置。因此在某一“跳变点(trip point)”，如果例如安全机构检测到表明异常数据或紧急情况的参数，则安全机构可以关闭井。优选地，安全机构适合于以响应于全部检测异常数据从而暗示紧急情况的多个不同的参数的方式起作用。参数可以是由传感器所检测到的任何参数(例如，压力、温度、流量、噪声或者甚至缺少例如流量或噪声)。

这样的安全机构在BOP正在使用中时的所有阶段期间是特别有用的，并且尤其在BOP正在使用中时的非钻探阶段期间是特别有用的。

优选地，该跳变点可以通过发送指令给联接到(不一定物理连接到)传感器和/或安全机构的接收器或者与传感器和/或安全机构成为整体的接收器被改变。这样的实施例对操作者可以是有很大益处的，因为井内的不同操作可以自然地经历不同参数，这些不同参数可能在一阶段中是安全的，但是在另一阶段中表明紧急情况。代替设置对于所有阶段的最大安全水平处的跳变点，它们可以通过包括用于不同阶段的无线通信的通信被改变。例如，与其他的阶段相比，在钻探阶段所检测到的振动将预计是相当大的。在其他的阶段中检测到相同程度的振动可能表示紧急情况并且安全机构被指示以便在钻探阶段之后改变它们的跳变点。

对于某些实施例，传感器设置在安全机构的上方和下方并且因此可以监视这些位置中的差别(differential)参数，这些差别参数可以继而得出与井的安全性有关的信息。特别地，横跨已激活的安全机构所检测到的任何压差将对尤其在控制地面船舶离开一段时间并且随后返回的情况下评估井的安全性具有特殊的用途。

传感器和/或收发器还可以设置在套管环状部中。

在使用中，操作者可以对传感器检测到的任何反常的和潜在危险的事件做出反应。这可以是各种不同的参数(包括但不局限于压力、温度以及像管道上的压力和应力的其他参数)或者本文中所提及的参数/传感器(但不局限于这些参数/传感器)。

此外，使用多个传感器，数据能够提供参数(例如，压力/温度)沿套管的轮廓并且因此有助于识别出哪些地方已经丧失完整性(例如，是否套管、套管接合剂、浮动环或密封组件已经不能隔离蓄水池或井)。这样的信息可以使操作者能够以快速的、安全的并且高效的方式做出反应；可替代地，安全机构可以适合于响应于某些检测到(尤其在两个或三个参数正显示异常值的地方)的参数或者参数的组合而激活。

这样的系统可以响应于紧急情况而被激活。

因此，本发明提供了一种在紧急情况下抑制来自井的流体流动的方法，所述方法包括：万一发生紧急情况，发送无线信号到所述井内至根据本发明的第一方面的安全机构。

以前的实施例中的优选的和其他可选的特征是以上直接根据本发明的方法的优选的和可选的特征。

紧急情况是指：从井出现或预计出现不受控制的流体流动；发生出乎意外的爆炸或者存在井可能出现的无法接受的风险，正在出现井完整性的重大结构破坏或者存在井可能出现的无法接受的风险，或者人的生命或环境正处于危险中，或者存在井可能处于危险中的无法接受的风险。这些危险和风险可能是由许多因素(例如，井状况)以及其他因素(例如，恶劣的天气)所造成的。

因此，紧急情况通常是指BOP和地下安全阀中的至少一个将试图被激活的情况，尤其是指在井内的不受控制的事件之前/期间或之后BOP和地下安全阀中的至少一个将试图被激活的情况。

此外，根据本发明的紧急情况通常是指对于包括附录2000、4.1.2节的IADAC深水井控制指南(第三次印刷)，相应地定义为最不严重的、更严重的或最严重的紧急情况。因此，涉及后座力控制的事件可以被认为是根据本发明的紧急情况，特别地，与地下井喷有关的事件被认为是根据本发明的紧急情况，并且甚至更特别地，与在海床(如果海底井)或地面处的井的失控有关的事件是根据本发明的紧急情况。

根据本发明的方法还可以在所述紧急情况之后被实施，并且因此可以响应于紧急情况而被追随地执行动作。

本方法可以在井的钻探、粘合、开发、竣工、生产、暂停和放弃的所有阶段期间使用。优选地，本方法用于BOP设置在井上的阶段期间。

可选地，本方法在当已经进行尝试去激活BOP时井上的操作期间执行。

在这些阶段期间，因为物理控制管线在这些阶段期间的供应将阻碍许多井操作在这个时候发生，所以本发明的实施例是特别有用的；并且确实认可做法是尽可能避免安装要求为此通信的装置。本发明的实施例反对这种实践并且通过提供无线通信来克服这些缺点。因此，本发明的实施例的优点是：它们使安全阀或障碍物在常见的安全阀或障碍物通常无法或不会被部署的情况下能够使用。

安全机构可以包括阀，优选地，安全机构包括球阀或挡板阀，优选地，阀可以吸收(incorporate)例如通过压力、钢缆、或连续油管或者其他干涉方法所控制的机械超驰(over-ride)。阀可以并入“泵直通(pump through)”设施，以允许在一个方向上的流动。

安全机构的阻挡构件可以是套筒。

可选地，安全机构可以使用电动机直接驱动，但是可替代地或者额外地可以适合于使用所存储的压力来驱动，或者可选地使用对抗大气室(可选地，与弹簧致动器相结合使用的)的井压力来驱动。

安全机构可以包含是可替换的部件或者包含关键部件(例如，电池或者无需从井移除整个部件就能够替换的阀体)。这可以使用例如侧袋(side-pockets)或可替换嵌入物的方法或者使用例如钢缆或连续油管的常规方法来实现。

为了检索来自传感器的数据和/或安全机构，一种选择是部署探针。各种装置(例如，电缆、平滑器线路导线、连续油管、管道或任何其他的细长构件)可被用于部署探针。这样的探针能够有选择地或者额外地适合于发送信号。确实，如果需要，这样的探针可被部署在管道环状部内。

在其他实施例中，无线信号可以从设置在井口装置或者接近于井口装置(即，通常在300m以内)的设备发送。在一实施例中，无线信号可以从一平台发送，可选地，使用设置在立管和/或井内的无线中继器从该平台发送。对于其他实施例，无线信号可以在海底井口装置接收到来自地面或ROV的声纳信号之后从该海底井口装置发送。在其他实施例中，无线信号可以在井口装置接收到来自另一位置的卫星信号之后从该井口装置发送。此外，如果井口是海底井口，则无线信号随后可以在海底井口装置(其已经在接收到来自另一位置的卫星信号之后被触发/激活)接收到声纳信号之后从该海底井口装置发送。

表面或地面设施可以是例如备用的附近生产设施或者供应船或者浮标。

因此，所述设备包括无线发射器或收发器，并且优选地还包括声纳接收器(用于接收来自地面设施的信号)并且尤其包括声纳收发器，使得该设备可以与地面设施双向通信。对于某些实施例，电缆可以伸入井和朝该电缆的一端所附接的无线收发器中。在其他实施例中，信号可以经由热刺连接件(hot-stabconnection)发送或者通过来自ROV的声纳信号从该ROV发送。

因此，本发明还提供了一种在使用中安装或改装(retro-fitted)到井的顶部的设备，该设备包括无线发射器和声纳接收器，尤其以供在紧急情况下使用。

所述设备是相对小的，通常小于1m³，优选地小于0.25m³，尤其小于0.10m³，并且因此可以容易安置在井口装置上。井口装置和该设备之间产生的物理接触为用于传输无线信号的井提供了一种连接(connection)。在可替代的实施例中，该设备被固定在井口装置内，该井口装置通常位于海底处，但对于陆地井而言可能位于陆地。

因此，这样的设备还无线地操作并且不需要井口装置和控制站(例如，船或钻探装备)之间的物理通信。

本发明的实施例还包括卫星设备，该卫星设备包括声纳收发器和卫星通信设备。这样的实施例可以与井通信(例如，与根据本发明的以前方面的井口装置处的所述设备通信)，并且通过卫星向前中转信号。卫星设备可以设置在钻探装备或者船或者浮标上。

因此，根据本发明的一方面，提供了一种井装置，该井装置包括井、包括卫星通信机构的卫星设备、以及声纳，该设备配置成通过卫星中转从该声纳所接收到的信息。

优选地，该设备独立于钻探装备，例如，该设备可以设置在浮标上。因此，万一钻探装备丢失，则浮标可以中转来从卫星到井的控制信号，以便关闭井。

在另一实施例中，井口装置处的该设备可以通过电线连接到地面设施或远程设施。然而优选地，该设备提供有用于与地面设施进行通信的其他无线通信选择。通常地，该设备具有电池，以使在万一电缆损坏时该设备还能够工作。

安全机构可以连同无线收发器一起包括地下安全阀(可选地为已知的类型)。

在可替代的实施例中，安全机构包括封隔器和膨胀机构。移动机构使得膨胀机构激活，该膨胀机构使封隔器膨胀并且因此使该封隔器从所述第一位置移动到所述第二位置。

因此，根据本发明的另一方面，提供了一种封隔器装置，该封隔器装置包括封隔器和激活机构，该激活机构包括用于使该封隔器膨胀的膨胀机构和无线收发器，该无线收发器适合于接收无线控制信号并且控制该激活机构。

无线信号优选地是声信号并且能够通过细长构件和/或井流体传播。

可替代地，无线信号可以是电磁信号，或者是任何其他无线信号，或者是上述信号和声信号的任意组合。

自始自终对“使......膨胀”和“膨胀机构”等的引用包括通过压缩弹性体元件使封隔器膨胀和/或使封隔器和膨胀机构等膨胀和/或使用爆炸机构的爆炸激活，或者通过使可膨胀的元件暴露到活化流体(例如，水或油)激活膨胀机构。

封隔器装置可以设置在井内的任何适当位置(例如，在钻柱或生产管道上，出人意外地，在两个不同的套管柱之间的或套管和形成物之间的套管环状部中，或者在井的已安装套管或未安装套管的部分内部的子组件上)。

在根据本发明的部署和无线激活井内之后的使用中，封隔器可以设置成已膨胀的状态，以便提供另一障碍物阻碍越过该阻碍物的流体运动，特别地，封隔器设置在井内的细长构件的外表面上。优选地，在所述套管和钻柱/生产管道之间的封隔器是对未展开的紧急情况有反应的。

因此，本发明还提供了一种井装置，包括：

多个套管柱；

设置在这些套管柱中的一个套管柱上的封隔器装置；

所述封隔器装置包括无线收发器，并且适合于响应于无线信号而膨胀，以便限制经过所述套管柱和相邻的细长构件之间的环状部的流体的流动。

正如以上所注意到的，封隔器可以在使用中以膨胀配置进行设置并且用作永久的障碍物来抵制流体流动，或者可以未膨胀配置进行设置并且根据需要(例如，响应于紧急情况)而被激活。此外，封隔器可以适合于从已膨胀配置移动到流体流动被允许的第一位置，该已膨胀配置对应于安全机构的第二位置，在第二位置，流体流动被限制(通常被阻塞)。

相邻的细长构件可以是这些套管柱中的另一套管柱，或者可以是钻柱，或者可以是生产管道。

本发明还提供了一种如本文中所描述的封隔器，该封隔器供在紧急情况下在生产管道上使用。

例如，在气举操作中，封隔器可以设置在生产管道上并且仅在万一发生紧急情况时被激活。

通常地，当相邻的构件是另一套管柱时，封隔器作为永久的障碍物被设置，并且当细长构件是生产管道的钻管(即，它们保持未膨胀，直到它们响应于紧急情况而膨胀)时，封隔器以未膨胀配置被设置。

尽管封隔器装置中的封隔器可以沿向内或向外的方向膨胀，但是优选地，封隔器适合于沿向内的方向膨胀。

环状部可以是套管环状部。

因此，这样的实施例的优点是：通过在环状部内设置这样的封隔器，经过该环状部的流体流动可以被抑制(优选地，被停止)。通常地，流体不会流经井的套管环状部，因此普通技术人员不会考虑到在该位置中放置封隔器。然而，本发明的发明人已经意识到套管环状部是一个流动路径，万一发生井故障和井喷，流体可能流经该流动路径。这样的事件可能归因于形成物、接合剂和/或随套管系统和井口所提供的密封圈的故障。

优选地，多个封隔器装置被设置。不同的封隔器装置可以设置在相同的环状部或不同的环状部内。

优选地，封隔器装置接近于井的顶部设置。这样，封隔器通常可以抑制在套管内断层(fault)或可疑的断层以上的流体流动。因此，封隔器可以设置在井口的100m以内，更优选地，设置在井口的50m以内，特别地，设置在井口的20m以内，并且理想地，设置在井口的10m以内。

设置在套管环状部内的封隔器可以是非负重(non-weight)的封隔器，即，这些封隔器不一定具有接合齿，例如，这些封隔器可以是可充气的类型或肿胀类型。

套管封隔器可以安置子在套管的经粘合的部分上方，并且它们因此通常对习惯上通过已经安装套管的井的一部分提供的障碍物上方的流体的流动提供额外的障碍物。

在可替代的实施例中，封隔器可以设置在与套管中的经粘合的部分相邻的套管的内侧上，从而阻碍在该点处的流动路径，同时接合剂阻碍套管的外侧部分上的流动路径。

安全机构可以是类似封隔器的没有通孔(through bore)的元件，并且因此实际上具有井插塞或桥塞的功能。

在某些实施例中，封隔器可以设置在钻柱上。

因此，本发明提供了一种钻探方法，包括在钻探阶段期间提供钻柱，所述钻柱包括如本文中所限定的封隔器装置。

当钻柱通常在钻探阶段过程中在井内竖直地旋转和移动时，普通技术人员不会想到将封隔器设置在钻柱上，因为封隔器抵制(resists)移动。但是，本发明的发明人注意到设置在钻柱上的封隔器可以用在紧急情况下并且因此提供了优点。

因此，封隔器可以设置在钻柱、生产柱、生产子组件上，并且可以在井中的已安装套管或未安装套管的部分内操作。

本文中所描述的安全机构和封隔器还可以具有额外的操作装置(例如，液压管线和/或电缆)。

因此，本发明还提供了一种部署根据本发明的安全机构的方法，该方法包括：当放弃井和/或粘合井和/或暂停井时，使用从传感器所接收到的数据监控所述井。

除非另外说明，本发明的各方面的方法和机构可以用于包括井的钻探、暂停、生产/投入、竣工和/或放弃的所有阶段。

尽管用于所有实施例的无线信号可以是电磁信号或者任何其他的信号或信号组合，但是优选地是声信号。

优选地，声通信包括频移键控(FSK)调制方法和/或相移键控(PSK)调制方法，和/或这些方法的高级衍生方法(例如，正交相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM)，以及优选地并入扩展频谱技术的QPSK或QAM)。通常地，声通信适合于自动地调谐声信号频率和方法，以便适应井状况。

本发明的实施例可以用于陆上的井以及海上井。

某些实施例的优点是：声信号可以在不同管柱上下传播并且可以从一管柱移动到另一管柱。因此，信号的线性传播是不需要的。直接路线装置因此可以丢失并且信号仍然可以成功地被间接接收到。信号还可以与其他的有线的和无线的通信系统和信号相结合，并且不必在整个距离上都是声学传播。

本发明的任何方面或实施例可以与加上必要的变更的实施例的任何其他方面相结合。

附图说明

现在将仅通过实例并且结合附图来对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是根据本发明的一个方面的井的概略的截面图；

图2是可用于本发明的安全机构的发送部分中的电子设备的示意图；

图3是可用于本发明的安全机构的接收部分中的电子设备的示意图；以及

图4a至图4c是套管阀异径接头在各个位置的截面图。

具体实施方式

图1示出了井10，井10包括一系列的套管柱12a、12b、12c和12d以及位于各套管柱和该各套管柱内部的管柱之间的相邻的环状部A、B、C、D，钻柱20设置在最里面的套管12a的内部。

正如在现有技术中是常见的，每个套管柱比其外侧的相邻套管柱进一步地延伸到井内。而且，每个套管柱的最低部分由于套管柱延伸到其外侧相邻管柱的下方而在合适位置处粘合。

根据本发明的一方面，安全封隔器16设置在经粘合部分上方的套管上和钻柱20上。

这些安全封隔器可以在任何时候(包括追溯地，即，紧急情况之后)声学上地被激活，以便阻挡流体流动通过各个环状部。虽然正常操作将不需要激活这样的封隔器，但是如果井控的套管或其他部分出现故障，则这些封隔器将对不受控制的碳氢化合物流动提供一个障碍物。

此外，根据本发明的一方面，传感器(未示出)设置在所述封隔器的上方和下方，以便监视该点处的井内参数。这可以将有关封隔器的任何异常参数和密封完整性的信息提供给操作者。

声中继站22设置在钻管上以及环状部内的各点处，以便中转从井内的传感器所检索到的声数据。

安全阀25也设置在钻柱20内，并且该安全阀可以声学上地被激活，以便阻止流体流动通过该钻柱。

在这样的实例中，包括声纳接收器和声收发器的设备(未示出)安装或者随后安置在井口装置处(，例如井的顶部处的BOP结构30。操作者从地面设施32发送声纳信号，该声纳信号被转换为声信号并且通过该设备发送到井内。海底阀25接收到该声信号并且在井内(而不是地面处)关闭井，即使其他通信系统彻底地与BOP断绝。

在可替代的实施例中，封隔器而不是安全阀25接收到信号。封隔器随后可以关闭流动路径(例如，环状部)。

因此，本发明的实施例的益处还在于它们排除了对海底/钻台/桥BOP控制机构的唯一依赖。正如可以从2010年墨西哥湾中的灾难性事件所观察到的，对于井中的BOP已经出现故障的井的控制可能是极其困难的，并且考虑到碳氢化合物在环境中的不受控制的泄漏，接踵而至的环境损害可能发生。本发明的实施例提供了一种系统，该系统有助于降低这样的灾难性事件发生的风险并且还提供了用于控制地下安全机构的二级控制机构(例如，地下阀、套筒、插塞和/或封隔器)。

对于某些实施例，控制设备设置在与钻探装备分离的浮标或船上。该设备包括声纳发射器和卫星接收器。该设备因此可以从由陆地装置所控制的卫星接收信号，并且将该信号传达给井以关闭井；所有的操作独立于该钻探装备。在这样的实施例中，井可以甚至在丢失钻探装备的灾难性事件的情况下被安全地关闭。

套管阀异径接头400示于图4a至图4c中，套管阀异径接头400包括外部主体404，外部主体404具有在内侧直达端口408处伸出主体404的中心孔406。以柱塞412形式的可移动构件设置在孔406内并且可以移动以密封端口408。类似地，以柱塞414形式的第二可移动构件设置在孔406内并且可以移动以密封端口410。致动器416、418分别控制柱塞412、414。

套管阀异径接头400作为整个套管柱(例如，图1中所示的套管柱12)的一部分延伸(run)，并且被定位，使得端口408面向内环状部并且端口410面向外环状部。

在使用中，柱塞412、414可以响应于已经接收到的无线信号而通过致动器416、418移动到不同的位置(如图4a、图4b和图4c中所示)。因此，内环状部和外环状部之间的压力可以通过在各自的端口408、410之上或者之间设置柱塞412、414(如图4a、图4c中所示)中的至少一个柱塞使内环状部和外环状部彼此密封。

为了使内环状部和外环状部之间的压力平衡，柱塞412、414移动到端口408、410以外的位置，如此柱塞412、414既不会阻塞端口408、410，也不会阻塞端口408、410之间的孔406(如图4b中所示)。因此压力可以平衡。

因此，这样的实施例可能是有用的，因为如果压力超过了安全压力和/或如果紧急情况已经发生，则这些实施例提供了一个使两个相邻的套管环状部之间的压力平衡的机会。

随后可以隔离端口并且监测压力以观察是否压力将再增加。因此，与例如防爆膜形成对照，在防爆膜无法返回到其原始位置的情况下，本发明的实施例可以使套管柱之间的压力平衡，清零，并且然后再一次重复该过程，并且对于某些实施例，可以无期限地重复该过程。

在一情景中，套管柱内的压力能够因为流体流动和热膨胀而建立。已知的防爆膜可以解决超压的问题，并且井可以继续正常地运行。但是，这样的超压的进一步发生无法被处理。此外，有时难以确定超压是否是由这样的易管理的事件造成的，或者特别是如果超压的反复发生在已知的系统中既无法被检测到也无法被减轻，是否表明更严重的问题。本发明的实施例缓解了这些问题。对于一些实施例，许多不同的套管异径接头(casing sub)401能够用在一个套管柱内。

图2示出了安全机构的发射部分250，该部分250包括由电池(未示出)供电的发射器(未示出)、换能器(transducer)240和温度计(未示出)。由换能器240所产生的模拟压力信号传到电子模块241，在电子模块241中，该模拟压力信号被数字化并且连续地被编码，以便使用1Hz-10kHz(优选地为1kHz-10kHz)的合适的载波频率、利用FSK调制技术传输该模拟压力信号。产生的脉冲载波(bursts of carrier)被施加到磁致伸缩换能器242，磁致伸缩换能器242包括在芯(未示出)周围所形成的线圈，芯的端部在分隔开的位置处被牢固地固定到井孔套管(未示出)上。经数字编码的数据因此被转变成纵向的声波。

本实施例中的发射器电子模块241包括信号调理电路244、数字化和编码电路245以及电流驱动器246。这些电路的细节可以改变并且可以使用其他适当的电路。换能器连接到电流驱动器246并且形成在芯247的周围。适当地，芯247是约25mm直径的层压的镍杆。该杆的长度被选取为适合所希望的声频。

图3示出了安全机构的接收部分360。接收部分361包括滤波器362和换能器363，滤波器362和换能器363连接到由电池(未示出)供电的电子模块。滤波器362是经调谐到数据载波频率上的机械的带通滤波器，并且起到去除一些可能在其他方面使电子设备失效的噪声的作用。换能器363是压电式元件。滤波器362和换能器363机械地串联联接，并且该组合在该组合的端部被牢固地安装到细长构件之一，例如管道或套管柱(未示出)上。因此，换能器363提供了代表音速数据信号的电输出。还提供了电子滤波器364和365，并且信号可以通过任何合适的装置366进行重新发送或整理(collated)，装置366通常具有与图2中所示的配置相似的配置。

某些实施例的优点是：声信号可以在不同管柱上下传播并且可以从一管柱移动到另一管柱。因此，信号的线性传播是不需要的。直接路线装置因此可以丢失并且信号仍然可以成功地被间接接收到。信号还可以与其他的有线的和无线的通信系统和信号相结合，并且不必在声学上传播整个距离。

在不脱离本发明的范围的情况下可以进行改进和修改。虽然具体的实例涉及海底井，但是其他的实施例可以被用在基于平台的井或者基于陆地的井上。

Claims (45)

1.一种安全机构，包括：

阻挡构件，所述阻挡构件能够在允许流体流动的第一位置和限制流体流动的第二位置之间移动；

移动机构；

以及，无线接收器，所述无线接收器适合于接收无线信号；

其中，所述移动机构可操作成响应于由所述无线接收器接收到的所述信号的变化，将所述阻挡构件从所述第一位置和所述第二位置中的一个位置移动到所述第一位置和所述第二位置中的另一位置。

2.根据权利要求1所述的安全机构，所述安全机构包括无线收发器。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，其中，所述第二位置是闭合位置，在所述闭合位置，流体流动是停止的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，其中，所述接收器是声接收器，所述信号是声信号。

5.根据权利要求1至3中的一项所述的安全机构，其中，所述接收器是电磁接收器，所述信号是电磁信号。

6.根据权利要求5所述的安全机构，其中，还提供有声接收器，所述信号通过所述电磁接收器传输越过所述信号的距离的一部分，并通过所述声接收器传输越过所述信号的距离的一部分。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，其中，所述接收器与所述移动机构是间隔开的并且通过液压管或电缆相连接。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，所述安全机构适合于响应于由传感器检测到的参数的水平，自动地将所述阻挡构件从所述第二位置移动到所述第一位置/从所述第一位置移动到所述第二位置。

9.根据权利要求8所述的安全机构，其中，通过操作者，所述参数的水平是可变的，在所述参数的水平下，所述安全机构适合于将所述阻挡构件从所述第二位置移动到所述第一位置/从所述第一位置移动到所述第二位置的。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，其中，在预定的时间段不存在信号时，所述安全机构适合于自动地将所述阻挡构件从所述第二位置移动到所述第一位置/从所述第一位置移动到所述第二位置。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，其中，所述安全机构适合于激活所述收发器，以便在紧急情况已经发生之后发送信号。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构，其中，所述安全机构包括封隔器和膨胀机构，并且所述移动机构使得所述膨胀机构激活，所述膨胀机构使所述封隔器膨胀并且因此使所述封隔器在所述第一位置和所述第二位置之间移动。

13.根据权利要求1至11中的任一项所述的安全机构，所述安全机构包括具有膨胀机构的插塞，并且所述移动机构使得所述膨胀机构激活，所述膨胀机构使所述插塞膨胀并且因此使所述插塞在所述第一位置和所述第二位置之间移动。

14.根据权利要求1至11中的任一项所述的安全机构，所述安全机构包括阀。

15.根据权利要求14所述的安全机构，其中，所述阀包括套筒，所述套筒能够在所述第一位置和所述第二位置之间移动。

16.根据权利要求14或15所述的安全机构，其中，所述阀设置在套管异径接头内并且适合于从所述第一位置和所述第二位置中的一个位置移动到所述第一位置和所述第二位置中的另一位置，然后返回到所述第一位置和所述第二位置中的最初位置。

17.一种井，包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的安全机构。

18.根据权利要求17所述的井，所述井进一步包括地下安全阀。

19.根据权利要求17或18所述的井，其中，在所述安全机构的附近设置传感器，以便检测所述井内的参数。

20.根据权利要求19所述的井，其中，在所述安全机构的上方设置有传感器，并且在所述安全机构的下方设置有传感器。

21.根据权利要求20所述的井，其中，所述传感器检测所述安全机构上方和下方的压力。

22.根据权利要求17至21中的任一项所述的井，其中，所述接收器位于所述井的顶部下方多达100m，可选地，位于所述井的顶部下方小于50m，更可选地，位于所述井的顶部下方小于20m。

23.根据权利要求17至22中的任一项所述的井，所述井包括套管，所述套管具有套管异径接头，所述套管异径接头具有在所述套管异径接头中的阀形式的所述安全机构，所述阀在所述套管的内侧和外侧之间连通；其中，所述阀适合于从所述第一位置和所述第二位置中的一个位置移动到所述第一位置和所述第二位置中的另一位置，然后返回到所述第一位置和所述第二位置中的最初位置。

24.一种井装置，所述井装置包括：根据权利要求17至23中的任一项所述的井，以及声纳接收器，并且优选地包括声纳发射器。

25.根据权利要求24所述的井装置，其中，所述井装置设置有卫星设备，所述设备包括卫星通信机构并且配置成在所述声纳接收器和发射器与卫星之间中转所接收到的信息。

26.一种在紧急情况下抑制来自根据权利要求17至23中的任一项所述的井或者根据权利要求24或25所述的井装置的流体流动的方法，所述方法包括：万一发生紧急情况，发送无线信号到所述井内至所述安全机构。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述无线信号在防喷器设置在所述井上的阶段期间被发送。

28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述无线信号从设置在所述井中的井口装置处的或者接近于所述井中的井口装置的设备被发送。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述无线信号从平台被发送，可选地，所述无线信号使用设置在立管和/或井底上的无线中继器从平台被发送。

30.根据权利要求26至27中的任一项所述的方法，其中，在从地面设施或者遥控潜水车辆接收到声纳信号之后，所述无线信号从海底井口装置被发送。

31.根据权利要求26至27中的任一项所述的方法，其中，遥控潜水车辆连接到所述海底井口装置并且经由热刺连接件发送或接收信号。

32.根据权利要求26至28所述的方法，其中，在从另一位置接收到卫星信号之后，所述无线信号从所述井口装置被发送。

33.一种封隔器装置，所述封隔器装置包括封隔器和激活机构，所述激活机构包括用于使所述封隔器膨胀的膨胀机构和适合于接收无线控制信号并且控制所述激活机构的无线接收器，优选地，所述激活机构包括用于使所述封隔器膨胀的膨胀机构和适合于接收无线控制信号并且控制所述激活机构的收发器。

34.根据权利要求33所述的封隔器装置，其中，所述接收器是声收发器并且所述信号是声信号。

35.一种钻探方法，所述钻探方法包括在钻探阶段期间提供钻柱，所述钻柱包括根据权利要求33或34所述的封隔器装置。

36.一种井装置，所述井装置包括：

多个套管柱；

位于所述套管柱中的至少一个套管柱上的根据权利要求33或34所述的封隔器装置，以便限制经过所述套管柱中的至少一个套管柱和相邻的细长构件之间的环状部的流体的流动。

37.根据权利要求36所述的井装置，其中，传感器和/或接收器设置在限定在两个所述套管柱之间的至少一个套管环状部中。

38.根据权利要求36或37所述的井装置，其中，封隔器设置在与套管中的已灌入水泥的部分相邻的所述套管柱上。

39.根据权利要求36至38所述的井装置，其中，所述封隔器在使用中以膨胀配置进行设置并且用作永久的障碍物来抵制流体流动。

40.根据权利要求36至38所述的井装置，其中，所述封隔器在使用中以未膨胀配置进行设置并且适合于响应于紧急情况而激活。

41.根据权利要求36至40中的任一项所述的井装置，其中，所述封隔器适合于沿向内的方向膨胀。

42.根据权利要求36至41中的任一项所述的井装置，其中，所述封隔器设置在井口的100m以内，更可选地，设置在井口的50m以内，特别地，设置在井口的20m以内，更特别地，设置在井口的10m以内。

43.一种部署根据权利要求1至16的安全机构的方法，所述方法包括：当放弃井和/或粘合井和/或暂停井时，使用从传感器所接收到的数据监控所述井。

44.一种具有在使用中安装或改装到井的顶部的设备的井，所述井包括无线发射器和声纳接收器，以供在紧急情况下使用。

45.根据权利要求44所述的井，其中，所述设备小于1m³，小于0.25m³，尤其小于0.10m³。

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